チャープパルス増幅

チャープパルス増幅（CPA）とは

チャープパルス増幅（Chirped Pulse Amplification, CPA）は、超短パルスレーザーのピーク出力を飛躍的に向上させるための画期的な技術です。ペタワット級の高出力レーザーを実現するために不可欠であり、世界最先端の研究施設で広く用いられています。この技術は、レーザーパルスを時間的に引き伸ばしてから増幅し、最後に元のパルス幅に戻すことで、媒質の損傷を防ぎながら高いエネルギーを取り出すことを可能にします。

CPAの基本原理

パルス引き伸ばし（チャープ）

CPAでは、まず超短パルスレーザーを「パルスストレッチャー」と呼ばれる装置に通します。この装置は、回折格子などを利用して、レーザーパルスの周波数成分を時間的に分散させます。具体的には、低周波成分は長く伝播し、高周波成分は短く伝播するように調整することで、パルス全体が時間的に引き伸ばされます。この状態を「チャープ」と呼び、パルス幅は元の1,000倍から100,000倍にもなります。

パルス増幅

引き伸ばされたパルスは、放射照度が大幅に低下しているため、レーザー媒質に損傷を与えることなく、安全に増幅することができます。この段階で、パルスのエネルギーを数百倍以上に増強します。

パルス圧縮

最後に、「パルスコンプレッサー」と呼ばれる装置を用いて、増幅されたパルスを元の時間幅に圧縮します。この過程では、パルスストレッチャーとは逆の操作を行い、時間的に分散していた周波数成分を再び同期させます。これにより、CPA以前には不可能だった非常に高いピーク出力を実現します。

CPAの歴史と背景

CPAの概念は、元々レーダー技術の分野で、出力限界を克服するために1960年代に開発されました。その後、1980年代にドナ・ストリックランドとジェラール・ムルによってレーザーに応用され、この業績が評価され、2018年にノーベル物理学賞を受賞しています。

以前は、レーザーパルスのピーク出力は、レーザー媒質の損傷により制限されていました。媒質が自己収束を起こし、プラズマを形成したり、フィラメント伝播を起こしたりすることで、ビームの性質が損なわれてしまっていたのです。しかし、CPAの発明により、この問題が解決され、より高出力のレーザーシステムが実現可能になりました。

CPAシステムの構成要素

パルスストレッチャー

パルスストレッチャーは、レーザーパルスを時間的に引き伸ばすための装置で、回折格子やレンズ、ミラーなどを組み合わせて構成されます。この装置は、正の分散を持つように設計され、低周波成分が長く、高周波成分が短く伝播するように光路を調整します。

パルスコンプレッサー

パルスコンプレッサーは、引き伸ばされたパルスを元のパルス幅に圧縮するための装置で、パルスストレッチャーとは逆の負の分散を持つように設計されています。回折格子を用いた構成が一般的で、高出力のレーザーパルスを扱うために用いられます。

分散

分散とは、光の周波数成分ごとの時間遅延のことです。CPAでは、パルスストレッチャーとパルスコンプレッサーの分散を打ち消し合わせることで、パルス幅を最小限に保つように調整します。高出力のパルスコンプレッサーは負の分散、低出力のパルスストレッチャーは正の分散を持つように設計されることが多いです。

回折格子

回折格子は、パルスストレッチャーおよびパルスコンプレッサーの主要な構成要素の一つで、光の波長ごとに異なる方向に回折させる性質を利用します。これにより、光路の長さを変化させ、分散を制御することができます。

プリズム

分散素子としてプリズムを用いることも可能です。プリズムの幾何構成や物性により、分散は正にも負にもなります。プリズムは回折格子に比べて分散が小さいですが、高次の分散補正のために組み合わせて用いられることがあります。

その他の手法

厚みのある透明物質

厚みのある透明物質に光を通すことでパルスを引き伸ばすことができますが、分散量が限られてしまいます。

チャープミラー

チャープミラーは、反射ごとに異なるチャープ変調をかけることができる光学素子です。高次の分散補正を行うための手法と組み合わせて用いられます。

音響光学パルス整形器

Dazzlerという商用の音響光学パルス整形器は、音波で光波を回折させてパルス整形を行います。

位相シフトマスク

位相シフトマスクは、パルスストレッチャーの焦点面に設置して分散を追加することが可能です。LCDアレーを利用してピクセル単位で位相シフト量を調整できます。

CPAの応用

CPA技術は、基礎科学から産業応用まで、幅広い分野で利用されています。

レーザー核融合: 高エネルギー密度科学研究や核融合エネルギー開発に用いられます。
高エネルギー物理学: 素粒子物理学の実験に利用されています。
材料科学: 新しい材料の開発や加工に活用されています。
医療: 眼科手術やがん治療など、高度な医療技術にも応用されています。

CPAは、レーザー科学の進歩に不可欠な技術であり、今後も様々な分野での応用が期待されています。

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